CN113619702B - 一种两节轮足式管道攀爬机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种两节轮足式管道攀爬机器人。其技术方案是：前攀爬机器人(1)与后攀爬机器人(3)通过机器人连接件(2)连接而成，前攀爬机器人(1)与后攀爬机器人(3)结构相同。前攀爬机器人(1)前端两侧通过对称固定的辅助支架(5)分别装有辅助轮(4)；前攀爬机器人(1)两侧对称地装有轮足复合机构(8)和磁吸附装置(10)。轮足复合机构(8)的2个编码电机通过联轴器与对应的麦克纳姆轮连接；分别控制2个编码电机能实现对应的麦克纳姆轮按特定转向转动，从而实现前攀爬机器人(1)前后左右方向的运动。轮足复合机构(8)的减震装置(20)连接在攀爬连接架(6)上，能使两节轮足式管道攀爬机器人在管道外壁平稳运动。本发明具有越障能力强、稳定性高和适应范围广的特点。

Description

一种两节轮足式管道攀爬机器人
技术领域
本发明属于机器人技术领域。尤其涉及一种两节轮足式管道攀爬机器人。
背景技术
随着我国经济的快速发展，大型管道在石油、药品、化工等行业的应用越来越多，这些管道在输送高温、高压、剧毒等流体介质时，长期使用会发生腐蚀导致安全隐患。
由于受到检测方法和使用条件的限制，国内外厂家对大型管道只进行人工抽检或长时间不检测，由此导致输送管道事故时有发生。近年来管道机器人的问世，虽向管道的逐段定期检测迈出一大步，但大型管道外壁通常存在焊缝、凹坑和法兰盘等影响管道检测的问题仍未有效得到解决，故开发具有攀爬功能的管道机器人已引起本领域科技人员的关注。
如“一种自适应管道攀爬机器人”(CN 112077819A)专利技术，该技术采用柔性底盘系统，虽然能够主动适应不同直径的管道壁，使机器人稳定的沿管道壁运动进行巡检，但其越障能力较差，在遇到管道上有法兰盘时无法攀越或遇到较大的焊缝或凹坑时稳定性差。
又如“一种管道爬行机器人”(CN 106369245 A)专利技术，该技术采用六足设计，虽然能够配合不同步态通过障碍物，实现复杂管道的自由行走，但是运动不够平稳，缺乏稳定性。
另如“一种基于爬管机器人的可调式永磁吸附装置”(CN 110949557A)专利技术，该技术通过结构设计实现永磁组块与管壁距离可调，能够保证机器人灵活且平稳的运动，但是不具备越过变径障碍的能力。
再如“一种油罐除锈爬壁机器人”(CN 113021375 A)专利技术，该技术采用多种吸附方式，具有良好的稳定性，但同样不具备越过变径障碍的能力。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种结构简单、越障能力强、稳定性高和适应范围广的两节轮足式管道攀爬机器人。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
所述两节轮足式管道攀爬机器人中：
l0表示攀爬连接架的长度，mm；
b0表示攀爬连接架的宽度，mm；
h0表示攀爬连接架的高度，mm。
设，前攀爬机器人为前方，面对两节轮足式管道攀爬机器人前部的左侧为左方。
所述两节轮足式管道攀爬机器人由前攀爬机器人、机器人连接件和后攀爬机器人组成，前攀爬机器人的后端通过机器人连接件与后攀爬机器人的前端连接。
所述前攀爬机器人包括2个辅助轮、2个辅助支架、攀爬连接架、运动控制板、2个轮足复合机构、锂电池和2个磁吸附装置。
在攀爬连接架的前端两侧对称地固定有辅助支架，2个辅助支架的下端与攀爬连接架的下平面平齐，2个辅助支架的上端分别活动地装有辅助轮。
辅助轮轴心与攀爬连接架前端的水平距离l1＝0.4～0.5l0；
辅助轮轴心与攀爬连接架下平面的垂直距离h1＝0.7～0.8h0。
攀爬连接架包括：上矩形框架、下矩形框架、平板和4个立柱；上矩形框架为2条横梁和2条纵梁围成的整体，上矩形框架与下矩形框架相同，上矩形框架的4个角分别通过立柱与下矩形框架对应的4个角固定连接。
上矩形框架的2条纵梁的中间靠后处对称地设有轮足安装孔，2个轮足复合机构分别通过螺栓与对应的轮足安装孔固定连接；下矩形框架的2条纵梁的中间靠后处对称地设有磁吸附装置安装孔，2个磁吸附装置分别通过螺栓与对应的磁吸附装置安装孔固定连接。
下矩形框架底部的中间位置处沿前后方向水平地固定有平板，平板的上平面设置有运动控制板和锂电池。
所述轮足复合机构包括前编码电机、前麦克纳姆轮、前连接件、减震装置、万向轮、后连接件、后麦克纳姆轮和后编码电机。
所述前连接件是由前电机支架、前一连杆、前一轴套、前二连杆和万向轮连接板依次由前向后固定连接。其中：
前一连杆为直杆，前二连杆为“L”形杆件；前电机支架是由水平板和垂直板组成的整体；
前电机支架水平板中心与前一轴套轴心的垂直距离h2＝0.22～0.23h0；
前电机支架水平板中心与前一轴套轴心的水平距离l2＝0.26～0.27l0；
前电机支架的水平板中心与前电机支架垂直板右侧面的水平距离b1＝0.06～0.07b0；
万向轮连接板右侧面中心与前一轴套两端面间的中心的水平距离b2＝0.15～0.16b0。
前编码电机与前电机支架的垂直板右侧面固定连接，前编码电机的输出轴穿过前电机支架的垂直板与前麦克纳姆轮轴连接。
所述后连接件是由后一轴套、后一连杆、后二轴套、后二连杆和后电机支架依次由前向后固定连接。其中：
后一连杆和后二连杆均为直杆；
后一轴套轴心与后二轴套轴心的垂直距离h3＝0.20～0.21h0；
后一轴套轴心与后二轴套轴心的水平距离l3＝0.12～0.13l0；
后电机支架与前电机支架的结构相同，后电机支架的水平板中心与后电机支架垂直板右侧面的水平距离b3＝0.11～0.12b0。
后编码电机与后电机支架的垂直板右侧面固定连接，后编码电机的输出轴穿过后电机支架的垂直板与后麦克纳姆轮轴连接。
所述减震装置包括减震安装板、弧形内挡板、弧形外挡板、弹簧、减震安装座和支架轴；减震安装板的下平面中心对称地装有弧形内挡板，减震安装座的上平面中心对称地装有弧形外挡板，弧形外挡板的内表面曲率半径与弧形内挡板的外表面曲率半径的名义尺寸相同，弧形外挡板的内表面弧长和弧形内挡板的外表面弧长均为0.6～0.7πr，r表示弧形外挡板的内表面曲率半径，弧形内挡板的外表面和弧形外挡板的内表面滑动连接。
减震安装板和减震安装座之间装有弹簧，弹簧位于弧形内挡板和弧形外挡板的中心位置处内，弧形外挡板和弧形内挡板的高度均为减震安装板下平面与减震安装座上平面间距离的60～70％；减震安装座右侧面的中心位置处固定有支架轴。
所述轮足复合机构的结构是，前一轴套通过销轴与后一轴套活动连接，万向轮的轮架与万向轮连接板下平面连接，后二轴套与减震装置的支架轴活动连接；减震安装板设有轮足连接通孔，轮足连接通孔通过螺栓与攀爬连接架的轮足安装孔固定连接。
所述磁吸附装置包括六角法兰面螺母、矩形支架、沉头螺杆、六角螺母和永磁铁。
矩形支架是由2个条形板和2个矩形块围成的整体式矩形框架，矩形支架的上条形板沿垂直方向均匀地设有4～6个螺孔，下条形板沿垂直方向对应地设有4～6个通孔，4～6个螺孔中心线分别与对应的通孔中心线为同一直线；沉头螺杆的头部一端通过六角螺母与永磁铁固定连接，沉头螺杆的另一端依次穿过下条形板的通孔和上条形板的螺孔通过六角法兰面螺母固定于矩形支架的上平面；两个矩形块的中心位置处沿水平方向对称地设有吸附连接通孔，吸附连接通孔通过螺栓与磁吸附装置安装孔固定连接。
后攀爬机器人与前攀爬机器人结构相同。
所述机器人连接件包括2个横向连杆和1个纵向连杆；纵向连杆的两端对称地铰接有横向连杆，纵向连杆的两端分别位于横向连杆的中间位置处，2个横向连杆的长度与攀爬连接架前侧或后侧的2个立柱间的距离相同；1个横向连杆固定于前攀爬机器人后侧的2个立柱的中间位置处，另1个横向连杆固定于后攀爬机器人前侧的2个立柱的中间位置处。
运动控制板的连接关系是：锂电池的正极和负极与运动控制板电源接口的正极和负极对应连接，运动控制板的USB接口与PC上位机的USB接口连接；左前编码电机与运动控制板的电机接口1连接，右前编码电机与运动控制板的电机接口2连接，左后编码电机与运动控制板的电机接口3连接，右后编码电机与运动控制板的电机接口4连接。
所述2个轮足复合机构为左轮足复合机构和右轮足复合机构：相应地，前编码电机为左前编码电机和右前编码电机；后编码电机为左后编码电机和右后编码电机。
所述前电机支架的水平板中心是指前电机支架水平板与前一连杆固定连接所形成的连接面的形心。
所述后电机支架的水平板中心是指后电机支架水平板与后二连杆固定连接所形成的连接面的形心。
本发明在管道外壁的工作状态有三种：一种是在水平管壁无障碍物的工作状态；另一种是在水平管壁的有障碍物的工作状态；再一种是在水平管壁运行至垂直管壁的工作状态。
两节轮足式管道攀爬机器人(以下简称机器人)在工作时会经常遇到如法兰盘等有障碍物的情况：即当机器人在水平管壁无障碍物工作时，不可避免地会沿着水平管壁运行至法兰盘，此时，机器人会以原速度继续向前，前攀爬机器人的辅助支架会随之向前移至法兰盘上；此时前攀爬机器人和后攀爬机器人仍以原速度前行，辅助支架的匀速前移而使前攀爬机器人的前端逐渐抬起，前麦克纳姆轮接触法兰盘；随后在前攀爬机器人的后麦克纳姆轮前行和后攀爬机器人的前行作用下，攀爬连接架越过法兰盘，紧接着，前麦克纳姆轮、万向轮、后麦克纳姆轮亦依次越过法兰盘，直至前攀爬机器人完全越过法兰盘。后攀爬机器人越过法兰盘的过程与前攀爬机器人相同。越过障碍物的机器人则进入无障碍运行状态。
机器人在水平管壁工作时，也会遇到由水平管壁连续至垂直管壁工作的情况：此时，机器人会以原先速度继续前行，前攀爬机器人的辅助轮则先与垂直管接触，随后在前攀爬机器人的后麦克纳姆轮前行和后攀爬机器人前行的共同作用下，前攀爬机器人的前麦克纳姆轮与垂直管壁接触；随着后攀爬机器人的继续前行，前攀爬机器人继而攀爬到垂直管壁上，后攀爬机器人上的辅助轮随之与垂直管壁接触；随着前攀爬机器人在垂直管壁的向上爬行，后攀爬机器人的前麦克纳姆轮与垂直管壁接触，后攀爬机器人随着前攀爬机器人的不断上行而匀速攀爬到垂直管壁上，机器人将以原来的速度沿垂直管壁继续向上爬行。
垂直管壁的有障碍物运行与水平管壁有障碍物运行相同。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果是：
1、本发明通过机器人连接件将结构相同的后攀爬机器人与前攀爬机器人连接而成，前攀爬机器人两侧对称装有轮足复合机构和磁吸附装置，前攀爬机器人前端两侧通过对称固定的辅助支架分别装有辅助轮，故结构简单。
2、本发明采用的轮足复合机构为六轮摇臂式移动机构，能使机器人的越障能力取决于摆臂长度而不受限于轮径大小的限制，因此，机器人能够越过法兰盘等较大障碍物。另外，轮足复合机构的减震装置与攀爬连接架连接，使得机器人在移动过程中遇到如铁锈、焊缝等较小障碍时，能够保持攀爬连接架与管道表面的距离相对不变，即能保持磁吸附装置与管道表面的距离不变，即机器人的磁吸附力能保持不变，使机器人在行走过程中保持平稳，通过率高、越障能力强。本发明通过运动控制板分别控制各个编码电机的启停和转向，从而控制麦克纳姆轮的运动状态。
3、本发明采用的辅助轮用于在水平管道运行的机器人在遇到垂直管道时的辅助过渡运动，辅助支架用于机器人在越过法兰盘等变径障碍时靠在障碍物上为整体越障导向，从而提高了机器人的爬越变径障碍的能力，适应范围广。
4、本发明采用前攀爬机器人和后攀爬机器人相连的结构，能使机器人在越障过程中至少有一节攀爬机器人吸附在管壁上，以防止机器人从管壁上脱落，从而提高机器人在管道攀爬过程中的稳定性。
5、本发明采用的磁吸附装置吸附力大小可调节，松开六角法兰面螺母，转动沉头螺杆能调节永磁铁的高度，以改变永磁铁与管道表面的距离从而调整吸附力的大小，既能使机器人稳定吸附在管壁上，又能避免机器人在攀爬管道时由于吸附力过强而增加移动阻力的情况，能有效保证机器人在行走和越障过程中的稳定性。
因此，本发明具有结构简单、越障能力强、稳定性高和适应范围广的特点。
附图说明
图1为本发明的一种结构示意图；
图2为图1中前攀爬机器人1的一种结构放大示意图；
图3为图2中攀爬连接架6的一种结构放大示意图；
图4为图1中轮足复合机构8的一种结构放大示意图；
图5为图4中前连接件19的结构示意图；
图6为图4中后连接件22的结构示意图；
图7为图4中减震装置20的结构放大示意图；
图8为图2中磁吸附装置10的一种结构放大示意图；
图9为图1中机器人连接件2的放大示意图；
图10为本发明在水平管壁有障碍物时的工作状态示意图；
图11为本发明在水平管壁运行至垂直管壁时的工作状态示意图；
图12为图2中运动控制板7的连接关系示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述，所举实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的保护范围。
实施例1
一种两节轮足式管道攀爬机器人。所述两节轮足式管道攀爬机器人如图1所示，由前攀爬机器人1、机器人连接件2和后攀爬机器人3组成，前攀爬机器人1的后端通过机器人连接件2与后攀爬机器人3的前端连接。
为叙述方便，设前攀爬机器人1为前方，面对两节轮足式管道攀爬机器人前部的左侧为左方。
为便于描述，先将下述字母统一描述如下：
l0表示攀爬连接架6的长度，mm；
b0表示攀爬连接架6的宽度，mm；
h0表示攀爬连接架6的高度，mm。
如图2所示，所述前攀爬机器人1包括2个辅助轮4、2个辅助支架5、攀爬连接架6、运动控制板7、2个轮足复合机构8、锂电池9和2个磁吸附装置10。
如图2所示，在攀爬连接架6的前端两侧对称地固定有辅助支架5，2个辅助支架5的下端与攀爬连接架6的下平面平齐，2个辅助支架5的上端分别活动地装有辅助轮4。
辅助轮4轴心与攀爬连接架6前端的水平距离l1＝0.5l0；
辅助轮4轴心与攀爬连接架6下平面的垂直距离h1＝0.8h0。
如图3所示，攀爬连接架6包括：上矩形框架11、下矩形框架13、平板16和4个立柱12；上矩形框架11为2条横梁和2条纵梁围成的整体，上矩形框架11与下矩形框架13相同，上矩形框架11的4个角分别通过立柱12与下矩形框架13对应的4个角固定连接。
如图2和图3所示，上矩形框架11的2条纵梁的中间靠后处对称地设有轮足安装孔14，2个轮足复合机构8分别通过螺栓与对应的轮足安装孔14固定连接；下矩形框架13的2条纵梁的中间靠后处对称地设有磁吸附装置安装孔15，2个磁吸附装置10分别通过螺栓与对应的磁吸附装置安装孔15固定连接。
如图2和图3所示，下矩形框架13底部的中间位置处沿前后方向水平地固定有平板16，平板16的上平面设置有运动控制板7与锂电池9。
如图4所示，所述轮足复合机构8包括前编码电机17、前麦克纳姆轮18、前连接件19、减震装置20、万向轮21、后连接件22、后麦克纳姆轮23和后编码电机24。
如图5所示，所述前连接件19是由前电机支架25、前一连杆26、前一轴套27、前二连杆28和万向轮连接板29依次由前向后固定连接。其中：
前一连杆26为直杆，前二连杆28为“L”形杆件；前电机支架25是由水平板和垂直板组成的整体。
前电机支架25水平板中心与前一轴套27轴心的垂直距离h2＝0.23h0；
前电机支架25水平板中心与前一轴套27轴心的水平距离l2＝0.27l0；
前电机支架25的水平板中心与前电机支架25垂直板右侧面的水平距离b1＝0.07b0；
万向轮连接板29右侧面中心与前一轴套27两端面间的中心的水平距离b2＝0.16b0。
如图4和图5所示，前编码电机17与前电机支架25的垂直板右侧面固定连接，前编码电机17的输出轴穿过前电机支架25的垂直板与前麦克纳姆轮18轴连接。
如图6所示，所述后连接件22是由后一轴套30、后一连杆31、后二轴套32、后二连杆33和后电机支架34依次由前向后固定连接。其中：
后一连杆31和后二连杆33均为直杆；
后一轴套30轴心与后二轴套32轴心的垂直距离h3＝0.21h0；
后一轴套30轴心与后二轴套32轴心的水平距离l3＝0.13l0；
如图5和图6所示，后电机支架34与前电机支架25的结构相同，后电机支架34的水平板中心与后电机支架34垂直板右侧面的水平距离b3＝0.12b0。
如图4和图6所示，后编码电机24与后电机支架34的垂直板右侧面固定连接，后编码电机24的输出轴穿过后电机支架34的垂直板与后麦克纳姆轮23轴连接。
如图7所示，所述减震装置20包括减震安装板35、弧形内挡板37、弧形外挡板38、弹簧39、减震安装座40和支架轴41；减震安装板35的下平面中心对称地装有弧形内挡板37，减震安装座40的上平面中心对称地装有弧形外挡板38，弧形外挡板38的内表面曲率半径与弧形内挡板37的外表面曲率半径的名义尺寸相同，弧形外挡板38的内表面弧长和弧形内挡板37的外表面弧长均为0.7πr，r表示弧形外挡板38的内表面曲率半径，弧形内挡板37的外表面和弧形外挡板38的内表面滑动连接。
减震安装板35和减震安装座40之间装有弹簧39，弹簧39位于弧形内挡板37和弧形外挡板38的中心位置处内，弧形外挡板38和弧形内挡板37的高度均为减震安装板35下平面与减震安装座40上平面间距离的70％；减震安装座40右侧面的中心位置处固定有支架轴41。
如图4～图7所示，所述轮足复合机构8的结构是：前一轴套27通过销轴与后一轴套30活动连接，万向轮21的轮架与万向轮连接板29下平面连接，后二轴套32与减震装置20的支架轴41活动连接；减震安装板35设有轮足连接通孔36，轮足连接通孔36通过螺栓与攀爬连接架6的轮足安装孔14固定连接。
如图8所示，所述磁吸附装置10包括六角法兰面螺母42、矩形支架43、沉头螺杆44、六角螺母46和永磁铁47。
矩形支架43是由2个条形板和2个矩形块围成的整体式矩形框架，矩形支架43的上条形板沿垂直方向均匀地设有5个螺孔，下条形板沿垂直方向对应地设有5个通孔，5个螺孔中心线分别与对应的通孔中心线为同一直线；沉头螺杆44的头部一端通过六角螺母46与永磁铁47固定连接，沉头螺杆44的另一端依次穿过下条形板的通孔和上条形板的螺孔通过六角法兰面螺母42固定于矩形支架43的上平面；两个矩形块的中心位置处沿水平方向对称地设有吸附连接通孔45，吸附连接通孔45通过螺栓与磁吸附装置安装孔15固定连接。
后攀爬机器人3与前攀爬机器人1结构相同。
如图9所示，所述机器人连接件2包括2个横向连杆48和1个纵向连杆49；纵向连杆49的两端对称地铰接有横向连杆48，纵向连杆49的两端分别位于横向连杆48的中间位置处，2个横向连杆48的长度与攀爬连接架6前侧或后侧的2个立柱12间的距离相同；1个横向连杆48固定于前攀爬机器人1后侧的2个立柱12的中间位置处，另1个横向连杆48固定于后攀爬机器人3前侧的2个立柱12的中间位置处。
如图12所示，运动控制板7的连接关系是：锂电池9的正极和负极与运动控制板7电源接口的正极和负极对应连接，运动控制板7的USB接口与PC上位机的USB接口连接；左前编码电机50与运动控制板7的电机接口1连接，右前编码电机53与运动控制板7的电机接口2连接，左后编码电机51与运动控制板7的电机接口3连接，右后编码电机52与运动控制板7的电机接口4连接。
如图1、图2和图4所示，所述2个轮足复合机构8为左轮足复合机构和右轮足复合机构：相应地，前编码电机17为左前编码电机50和右前编码电机53；后编码电机24为左后编码电机51和右后编码电机52。
所述前电机支架25的水平板中心是指前电机支架25水平板与前一连杆26固定连接所形成的连接面的形心。
所述后电机支架34的水平板中心是指后电机支架34水平板与后二连杆33固定连接所形成的连接面的形心。
实施例2
一种两节轮足式管道攀爬机器人。除下述技术参数外，其余同实施例1：
辅助轮4轴心与攀爬连接架6前端的水平距离l1＝0.4l0；
辅助轮4轴心与攀爬连接架6下平面的垂直距离h1＝0.7h0。
前电机支架25水平板中心与前一轴套27轴心的垂直距离h2＝0.22h0；
前电机支架25水平板中心与前一轴套27轴心的水平距离l2＝0.26l0；
前电机支架25的水平板中心与前电机支架25垂直板右侧面的水平距离b1＝0.06b0；
万向轮连接板29右侧面中心与前一轴套27两端面间的中心的水平距离b2＝0.15b0。
后一轴套30轴心与后二轴套32轴心的垂直距离h3＝0.20h0；
后一轴套30轴心与后二轴套32轴心的水平距离l3＝0.12l0；
后电机支架34与前电机支架25的结构相同，后电机支架34的水平板中心与后电机支架34垂直板右侧面的水平距离b3＝0.11b0。
弧形外挡板38的内表面弧长和弧形内挡板37的外表面弧长均为0.6πr，r表示弧形外挡板38的内表面曲率半径。
弧形外挡板38和弧形内挡板37的高度均为减震安装板35下平面与减震安装座40上平面间距离的60％。
矩形支架43的上条形板沿垂直方向均匀地设有6个螺孔，下条形板沿垂直方向对应地设有6个通孔，6个螺孔中心线分别与对应的通孔中心线为同一直线。
实施例3
一种两节轮足式管道攀爬机器人。除下述技术参数外，其余同实施例1：
辅助轮4轴心与攀爬连接架6前端的水平距离l1＝0.45l0；
辅助轮4轴心与攀爬连接架6下平面的垂直距离h1＝0.75h0。
前电机支架25水平板中心与前一轴套27轴心的垂直距离h2＝0.225h0；
前电机支架25水平板中心与前一轴套27轴心的水平距离l2＝0.265l0；
前电机支架25的水平板中心与前电机支架25垂直板右侧面的水平距离b1＝0.065b0；
万向轮连接板29右侧面中心与前一轴套27两端面间的中心的水平距离b2＝0.155b0。
后一轴套30轴心与后二轴套32轴心的垂直距离h3＝0.205h0；
后一轴套30轴心与后二轴套32轴心的水平距离l3＝0.125l0；
后电机支架34与前电机支架25的结构相同，后电机支架34的水平板中心与后电机支架34垂直板右侧面的水平距离b3＝0.115b0。
弧形外挡板38的内表面弧长和弧形内挡板37的外表面弧长均为0.65πr，r表示弧形外挡板38的内表面曲率半径。
弧形外挡板38和弧形内挡板37的高度均为减震安装板35下平面与减震安装座40上平面间距离的65％。
矩形支架43的上条形板沿垂直方向均匀地设有4个螺孔，下条形板沿垂直方向对应地设有4个通孔，4个螺孔中心线分别与对应的通孔中心线为同一直线。
本具体实施方式在管道外壁的工作状态有三种：一种是在水平管壁无障碍物的工作状态；另一种如图10所示，在水平管壁的有障碍物的工作状态；再一种如图11所示，在水平管壁运行至垂直管壁的工作状态。
两节轮足式管道攀爬机器人(以下简称机器人)在工作时会经常遇到如法兰盘等有障碍物的情况：即当机器人在水平管壁无障碍物工作时，不可避免地会沿着水平管壁运行至法兰盘。此时，机器人会以原速度继续向前，前攀爬机器人1的辅助支架5会随之向前移至法兰盘上，机器人处于图10a所示状态；此时前攀爬机器人1和后攀爬机器人3仍以原速度前行，辅助支架5的匀速前移而使前攀爬机器人1的前端逐渐抬起，前麦克纳姆轮18接触法兰盘，机器人处于图10b状态；随后在前攀爬机器人1的后麦克纳姆轮23前行和后攀爬机器人3的前行作用下，攀爬连接架6越过法兰盘，紧接着，前麦克纳姆轮18、万向轮21、后麦克纳姆23轮亦依次越过法兰盘，如图10c-10e所示，直至前攀爬机器人1完全越过法兰盘。后攀爬机器人3越过法兰盘的过程与前攀爬机器人1相同，如图10f-10j所示；最后如图10j所示，越过障碍物的机器人则进入无障碍运行状态。
机器人在水平管壁工作时，也会遇到由水平管壁连续至垂直管壁工作的情况，机器人则处于图11a状态；此时，机器人会以原先速度继续前行，前攀爬机器人1的辅助轮4则先与垂直管接触，随后在前攀爬机器人1的后麦克纳姆轮23前行和后攀爬机器人3前行的共同作用下，前攀爬机器人1的前麦克纳姆轮18与垂直管壁接触，此时机器人处于图11b状态；随着后攀爬机器人3的继续前行，前攀爬机器人1继而攀爬到垂直管壁上，后攀爬机器人3上的辅助轮随之与垂直管壁接触，此时机器人处于图11c状态；随着前攀爬机器人1在垂直管壁的向上爬行，后攀爬机器人3的前麦克纳姆轮与垂直管壁接触，机器人处于图11d状态，后攀爬机器人3随着前攀爬机器人1的不断上行而匀速攀爬到垂直管壁上，机器人处于图11e状态。机器人将以原来的速度沿垂直管壁继续向上爬行。
垂直管壁的有障碍物运行与水平管壁有障碍物运行相同。
本具体实施方式与现有技术相比具有如下有益效果是：
1、本具体实施方式通过机器人连接件2将结构相同的后攀爬机器人3与前攀爬机器人1连接而成，前攀爬机器人1两侧对称装有轮足复合机构8和磁吸附装置10，前攀爬机器人1前端两侧通过对称固定的辅助支架5分别装有辅助轮4，故结构简单。
2、本具体实施方式采用的轮足复合机构8为六轮摇臂式移动机构，能使机器人的越障能力取决于摆臂长度而不受限于轮径大小的限制，因此，机器人能够越过法兰盘等较大障碍物。另外，轮足复合机构8的减震装置20与攀爬连接架6连接，使得机器人在移动过程中遇到如铁锈、焊缝等较小障碍时，能够保持攀爬连接架6与管道表面的距离相对不变，即能保持磁吸附装置10与管道表面的距离不变，即机器人的磁吸附力能保持不变，使机器人在行走过程中保持平稳，通过率高、越障能力强。本具体实施方式通过运动控制板7分别控制各个编码电机的启停和转向，从而控制麦克纳姆轮的运动状态。
3、本具体实施方式采用的辅助轮4用于在水平管道运行的机器人在遇到垂直管道时的辅助过渡运动，辅助支架5用于机器人在越过法兰盘等变径障碍时靠在障碍物上为整体越障导向，从而提高了机器人的爬越变径障碍的能力，适应范围广。
4、本具体实施方式采用前攀爬机器人1和后攀爬机器人3相连的结构，能使机器人在越障过程中至少有一节攀爬机器人吸附在管壁上，以防止机器人从管壁上脱落，从而提高机器人在管道攀爬过程中的稳定性。
5、本具体实施方式采用的磁吸附装置10吸附力大小可调节，松开六角法兰面螺母42，转动沉头螺杆44能调节永磁铁47的高度，以改变永磁铁47与管道表面的距离从而调整吸附力的大小，既能使机器人稳定吸附在管壁上，又能避免机器人在攀爬管道时由于吸附力过强而增加移动阻力的情况，能有效保证机器人在行走和越障过程中的稳定性。
因此，本具体实施方式具有结构简单、越障能力强、稳定性高和适应范围广的特点。

Claims (3)

1.一种两节轮足式管道攀爬机器人，其特征在于所述两节轮足式管道攀爬机器人中：
l0表示攀爬连接架(6)的长度，mm，
b0表示攀爬连接架(6)的宽度，mm，
h0表示攀爬连接架(6)的高度，mm；
设，前攀爬机器人(1)为前方，面对两节轮足式管道攀爬机器人前部的左侧为左方；
所述两节轮足式管道攀爬机器人由前攀爬机器人(1)、机器人连接件(2)和后攀爬机器人(3)组成，前攀爬机器人(1)的后端通过机器人连接件(2)与后攀爬机器人(3)的前端连接；
所述前攀爬机器人(1)包括2个辅助轮(4)、2个辅助支架(5)、攀爬连接架(6)、运动控制板(7)、2个轮足复合机构(8)、锂电池(9)和2个磁吸附装置(10)；
在攀爬连接架(6)的前端两侧对称地固定有辅助支架(5)，2个辅助支架(5)的下端与攀爬连接架(6)的下平面平齐，2个辅助支架(5)的上端分别活动地装有辅助轮(4)；
辅助轮(4)轴心与攀爬连接架(6)前端的水平距离l1＝0.4～0.5l0，
辅助轮(4)轴心与攀爬连接架(6)下平面的垂直距离h1＝0.7～0.8h0；
攀爬连接架(6)包括：上矩形框架(11)、下矩形框架(13)、平板(16)和4个立柱(12)；上矩形框架(11)为2条横梁和2条纵梁围成的整体，上矩形框架(11)与下矩形框架(13)相同，上矩形框架(11)的4个角分别通过立柱(12)与下矩形框架(13)对应的4个角固定连接；
上矩形框架(11)的2条纵梁的中间靠后处对称地设有轮足安装孔(14)，2个轮足复合机构(8)分别通过螺栓与对应的轮足安装孔(14)固定连接；下矩形框架(13)的2条纵梁的中间靠后处对称地设有磁吸附装置安装孔(15)，2个磁吸附装置(10)分别通过螺栓与对应的磁吸附装置安装孔(15)固定连接；
下矩形框架(13)底部的中间位置处沿前后方向水平地固定有平板(16)，平板(16)的上平面设置有运动控制板(7)和锂电池(9)；
所述轮足复合机构(8)包括前编码电机(17)、前麦克纳姆轮(18)、前连接件(19)、减震装置(20)、万向轮(21)、后连接件(22)、后麦克纳姆轮(23)和后编码电机(24)；
所述前连接件(19)是由前电机支架(25)、前一连杆(26)、前一轴套(27)、前二连杆(28)和万向轮连接板(29)依次由前向后固定连接；其中：
前一连杆(26)为直杆，前二连杆(28)为“L”形杆件；前电机支架(25)是由水平板和垂直板组成的整体；
前电机支架(25)水平板中心与前一轴套(27)轴心的垂直距离h2＝0.22～0.23h0，
前电机支架(25)水平板中心与前一轴套(27)轴心的水平距离l2＝0.26～0.27l0，
前电机支架(25)的水平板中心与前电机支架(25)垂直板右侧面的水平距离b1＝0.06～0.07b0，
万向轮连接板(29)右侧面中心与前一轴套(27)两端面间的中心的水平距离b2＝0.15～0.16b0；
前编码电机(17)与前电机支架(25)的垂直板右侧面固定连接，前编码电机(17)的输出轴穿过前电机支架(25)的垂直板与前麦克纳姆轮(18)轴连接；
所述后连接件(22)是由后一轴套(30)、后一连杆(31)、后二轴套(32)、后二连杆(33)和后电机支架(34)依次由前向后固定连接；其中：
后一连杆(31)和后二连杆(33)均为直杆，
后一轴套(30)轴心与后二轴套(32)轴心的垂直距离h3＝0.20～0.21h0，
后一轴套(30)轴心与后二轴套(32)轴心的水平距离l3＝0.12～0.13l0，
后电机支架(34)与前电机支架(25)的结构相同，后电机支架(34)的水平板中心与后电机支架(34)垂直板右侧面的水平距离b3＝0.11～0.12b0；
后编码电机(24)与后电机支架(34)的垂直板右侧面固定连接，后编码电机(24)的输出轴穿过后电机支架(34)的垂直板与后麦克纳姆轮(23)轴连接；
所述减震装置(20)包括减震安装板(35)、弧形内挡板(37)、弧形外挡板(38)、弹簧(39)、减震安装座(40)和支架轴(41)；减震安装板(35)的下平面中心对称地装有弧形内挡板(37)，减震安装座(40)的上平面中心对称地装有弧形外挡板(38)，弧形外挡板(38)的内表面曲率半径与弧形内挡板(37)的外表面曲率半径的名义尺寸相同，弧形外挡板(38)的内表面弧长和弧形内挡板(37)的外表面弧长均为0.6～0.7πr，r表示弧形外挡板(38)的内表面曲率半径，弧形内挡板(37)的外表面和弧形外挡板(38)的内表面滑动连接；
减震安装板(35)和减震安装座(40)之间装有弹簧(39)，弹簧(39)位于弧形内挡板(37)和弧形外挡板(38)的中心位置处内，弧形外挡板(38)和弧形内挡板(37)的高度均为减震安装板(35)下平面与减震安装座(40)上平面间距离的60～70％；减震安装座(40)右侧面的中心位置处固定有支架轴(41)；
所述轮足复合机构(8)的结构是，前一轴套(27)通过销轴与后一轴套(30)活动连接，万向轮(21)的轮架与万向轮连接板(29)下平面连接，后二轴套(32)与减震装置(20)的支架轴(41)活动连接；减震安装板(35)设有轮足连接通孔(36)，轮足连接通孔(36)通过螺栓与攀爬连接架(6)的轮足安装孔(14)固定连接；
所述磁吸附装置(10)包括六角法兰面螺母(42)、矩形支架(43)、沉头螺杆(44)、六角螺母(46)和永磁铁(47)；
矩形支架(43)是由2个条形板和2个矩形块围成的整体式矩形框架，矩形支架(43)的上条形板沿垂直方向均匀地设有4～6个螺孔，下条形板沿垂直方向对应地设有4～6个通孔，4～6个螺孔中心线分别与对应的通孔中心线为同一直线；沉头螺杆(44)的头部一端通过六角螺母(46)与永磁铁(47)固定连接，沉头螺杆(44)的另一端依次穿过下条形板的通孔和上条形板的螺孔通过六角法兰面螺母(42)固定于矩形支架(43)的上平面；两个矩形块的中心位置处沿水平方向对称地设有吸附连接通孔(45)，吸附连接通孔(45)通过螺栓与磁吸附装置安装孔(15)固定连接；
后攀爬机器人(3)与前攀爬机器人(1)结构相同；
所述机器人连接件(2)包括2个横向连杆(48)和1个纵向连杆(49)；纵向连杆(49)的两端对称地铰接有横向连杆(48)，纵向连杆(49)的两端分别位于横向连杆(48)的中间位置处，2个横向连杆(48)的长度与攀爬连接架(6)前侧或后侧的2个立柱(12)间的距离相同；1个横向连杆(48)固定于前攀爬机器人(1)后侧的2个立柱(12)的中间位置处，另1个横向连杆(48)固定于后攀爬机器人(3)前侧的2个立柱(12)的中间位置处；
运动控制板(7)的连接关系是：锂电池(9)的正极和负极与运动控制板(7)电源接口的正极和负极对应连接，运动控制板(7)的USB接口与PC上位机的USB接口连接；左前编码电机(50)与运动控制板(7)的电机接口1连接，右前编码电机(53)与运动控制板(7)的电机接口2连接，左后编码电机(51)与运动控制板(7)的电机接口3连接，右后编码电机(52)与运动控制板(7)的电机接口4连接；
所述2个轮足复合机构(8)为左轮足复合机构和右轮足复合机构：相应地，前编码电机(17)为左前编码电机(50)和右前编码电机(53)；后编码电机(24)为左后编码电机(51)和右后编码电机(52)。
2.根据权利要求1所述两节轮足式管道攀爬机器人，其特征在于所述前电机支架(25)的水平板中心是指前电机支架(25)水平板与前一连杆(26)固定连接所形成的连接面的形心。
3.根据权利要求1所述两节轮足式管道攀爬机器人，其特征在于所述后电机支架(34)的水平板中心是指后电机支架(34)水平板与后二连杆(33)固定连接所形成的连接面的形心。
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